DE1557168C

DE1557168C - Process for zone melting

Info

Publication number: DE1557168C
Application number: DE19661557168
Authority: DE
Inventors: Nicolas Johannes Gerardus Jutphaas Essen Manus Jacobus van Utrecht Smit Wilhelm Matthijs Am sterdam Versteeg Wilhelmus Francies Utrecht Bollen, (Niederlande)
Original assignee: Nederlandse Centrale Orgamsatie voor Toegepast Natuurwetenschappehjk Onderzoek, Den Haag (Niederlande)
Priority date: 1965-08-05
Filing date: 1966-08-03
Publication date: 1973-06-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zonenschmelzen eines schmelzbaren, in einem Rohr befindlichen Materials mit einer oder mehreren Schmelzzonen, wobei das Rohr um seine Längsachse mit wechselnder Richtung rotieren gelassen wird.The invention relates to a method for zone melting a fusible in a pipe Material with one or more melting zones, with the tube around its longitudinal axis is allowed to rotate with alternating direction.

Nach der deutschen Auslegeschrift 1113 445 ist ein spezielles Verfahren zur Herstellung von hochgereinigtem Tellur durch mehrmaliges Schmelzen und Kristallisieren eines stabförmigen Körpers aus Tellur mittels einer oder mehrerer diesen durchwandernden flüssigen Zonen bekannt, wobei auf die flüssige Zone mechanische Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden. Diese Schwingungen können durch eine hin- und hergehende Drehbewegung des stabförmigen Körpers um dessen Achse erzeugt werden.According to the German Auslegeschrift 1113 445 is a Special process for the production of highly purified tellurium through repeated melting and Crystallization of a rod-shaped body made of tellurium by means of one or more wandering through it known liquid zones, mechanical vibrations being applied to the liquid zone will. These vibrations can be caused by a reciprocating rotary movement of the rod-shaped Body are generated around its axis.

Die Ziehgeschwindigkeit bei diesem bekannten Schmelzverfahren ist relativ gering und beträgt nur maximal ca. 6 cm/Std., wobei nur ein mäßiger Reinigungseflekt erzielt werden kann.The drawing speed in this known melting process is relatively low and is only maximum approx. 6 cm / hour, whereby only a moderate cleaning stain can be achieved.

Insbesondere beim Zonenschmelzen, wobei die Flüssigkeit in einem Rohr zwischen zwei Schichten Feststoff eingeschlossen ist, ist das Rühren in der Flüssigkeisphase schwer ausführbar.Especially in zone melting, where the liquid is in a tube between two layers When solid is included, stirring in the liquid phase is difficult to perform.

Ohne Rühren ist man aber zur Erhaltung eines genügenden Homogenitätsgrades in der Flüssigkeit, von der Diffusion in der Flüssigkeit und gegebenenfalls von der thermischen Konvektion in der Flüssigkeit abhängig.Without stirring, however, in order to maintain a sufficient degree of homogeneity in the liquid, one is of diffusion in the liquid and possibly thermal convection in the liquid dependent.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, das an sich bekannte Zonenschmelzverfahren dahingehend zu verbessern, daß wesentlich höhere Ziehgeschwindigkeiten bei gutem Reinigungseffekt gewährleistet sind.The invention is accordingly based on the object of the zone melting process known per se to the effect that much higher drawing speeds with a good cleaning effect are guaranteed.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung mit einem Verfahren nach der eingangs genannten Art derart gelöst, daß Rotationsgeschwindigkeit und -dauer so eingestellt werden, daß sich bei jedem Drehbeginn und Drehende eine mittlere Tangentialbeschleunigung bzw. -verzögerung von mindesten 200 cm/sec² ergibt, daß Beschleunigung und Verzögerung mindestens 0,03 see. lang andauern und daß die Zeit zwischen dem Beginn von Beschleunigung und Verzögerung mindestens 0,1 see und die Zeit während der das Rohr ohne oder mit weniger als 200CmZsCC² Beschleunigung oder Verzögerung rotiert, höchstens 1 see beträgt.This object is achieved according to the invention with a method of the type mentioned in such a way that the speed and duration of rotation are set so that an average tangential acceleration or deceleration of at least 200 cm / sec ² results at each start and end of rotation, that Acceleration and deceleration at least 0.03 seconds. long and that the time between the start of acceleration and deceleration is at least 0.1 seconds and the time during which the tube ^{rotates with no or less than 200CmZsCC 2} acceleration or deceleration is at most 1 second.

Bei dieser erfindungsgemäßen Verfahrensführung lassen sich ohne weiteres Ziehgeschwindigkeiten von ca. 120 cm/Std. erreichen, und die beim Zonenschmelzen auftretenden Austauschvorgänge wesentlich verbessern und intensivieren. Die Ziehgeschwindigkeit ist dabei nur noch von der Kristallisationsgeschwindigkeit und von der Geschwindigkeit, mit der die Kristallisationswärme abgeführt werden kann, abhängig. Diese Wärmeabführung kann mittels Luftkühlung mit gerichteten Luftstrahlen hinreichend intensiviert werden.In this procedure according to the invention, drawing speeds of approx. 120 cm / hour achieve, and the exchange processes occurring during zone melting are essential improve and intensify. The pull speed is only dependent on the crystallization speed and the speed with which the heat of crystallization can be dissipated depends. This heat dissipation can be achieved by means of air cooling be sufficiently intensified with directed air jets.

Neben der Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit wurde außerdem gefunden, daß das Entstehen einer stabilen Kristallform, bzw. der Übergang in diese Form, durch das erfindungsgemäße Verfahren stark unterstützt wird.In addition to increasing the pulling speed, it was also found that the formation of a stable crystal form, or the transition into this form, by the method according to the invention is strong is supported.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden an Hand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The method according to the invention is described below with reference to the graphic representation of a Embodiment explained in more detail.

In dieser Darstellung zeigtIn this illustration shows

F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Zonenschmelzen undF i g. 1 schematically shows a device for zone melting and

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufes der Tangential-Geschwindigkeit.2 shows a graphic representation of the course of the tangential speed.

Die Vorrichtung besteht aus einem Rohr 8, wie Glasrohr od. dgl., in dem sich der dem Zonenschmelzverfahren zu unterziehende Stoff befindet.The device consists of a tube 8, such as a glass tube or the like, in which the zone melting process is carried out the substance to be subjected is located.

Das Rohr 8 ist mit Hilfe eines in das Rohr eingebrachten und axial versetzbaren Anschlages 13 auf der Welle eines Reversions-Motors 14 angeordnet und ist am oberen Ende derart gelagert, daß sich das Rohr um seine Achse drehen kann.The tube 8 is opened with the aid of a stop 13 which is introduced into the tube and can be axially displaced the shaft of a reversing motor 14 and is mounted at the upper end in such a way that the Tube can rotate around its axis.

Mit Hilfe eines einfachen Umschaltmechanismus dreht sich der Motor 14 jeweils mit einer gewissen Anzahl Umdrehungen mit einer Maximumdrehzahl von 1450 pro Minute hin und her. Die Häufigkeit mit der sich die Drehrichtung umkehrt, beträgt 2/sec. und die Beschleunigung bzw. Verzögerung von 0 auf 1450 Umdrehungen, bzw. von 1450 auf 0 Umdrehungen erfolgt innerhalb einer einzigen Umdrehung. Hierzu geeignete Elektromotoren sind bekannt und stehen ohne weiteres zur Verfügung.With the help of a simple switching mechanism, the motor 14 rotates at a certain rate Number of revolutions with a maximum speed of 1450 per minute back and forth. The frequency with which reverses the direction of rotation is 2 / sec. and the acceleration or deceleration from 0 to 1450 Revolutions, or from 1450 to 0 revolutions, takes place within a single revolution. For this suitable electric motors are known and readily available.

Bei Rohren mit einem Durchmesser von 1 cm und mehr läßt sich eine Maximaldrehzahl von 800 bis 4000 pro Minute anwenden.For pipes with a diameter of 1 cm and more, a maximum speed of 800 to Apply 4000 per minute.

Um das Rohr sind beispielsweise fünf zylindrische gegen das Rohr frei strahlende Heizelemente 9, 10 vorgesehen, die frei am Rohr entlang gleiten können, die zwischen festem Material 12 die Schmelzzonen 11 erzeugen und die mittels eines Luftleitrohres 4 mit einem Hebemechanismus verbunden sind. Dieser Hebemechanismus umfaßt einen schematisch dargestellten Synchronmotor mit Reduktionsgetriebe 3, ein von diesem Synchronmotor angetriebenes Zahnrad 2 mit Auskehlung und eine Zahnstange 1.Around the pipe there are, for example, five cylindrical heating elements 9, 10 radiating freely against the pipe provided, which can slide freely along the pipe, the melting zones 11 between solid material 12 and which are connected to a lifting mechanism by means of an air duct 4. This Lifting mechanism comprises a schematically illustrated synchronous motor with reduction gear 3, a A toothed wheel 2 with a groove and a toothed rack 1 driven by this synchronous motor.

Der Hebemechanismus ist von einem Gegengewicht 7 entlastet.The lifting mechanism is relieved of a counterweight 7.

Die erforderliche Wärmeabführung wird erhalten, indem Luft mit einem Überdruck von etwa 10 bis 20 cm Quecksilbersäule in den Lufteinlaß S eingeführt wird. Diese Luft strömt durch das Luftleitrohr 4 zu Düsen 6, die ungefähr 1 mm Durchmesser haben und von diesen gegen das Rohr 8, wobei die Düsen jeweils ungefähr 6 mm über und unter den Heizelementen 9, 10 angeordnet sind.The required heat dissipation is obtained by adding air with an overpressure of about 10 to 20 cm of mercury is introduced into the air inlet S. This air flows through the air duct 4 to nozzles 6, which are approximately 1 mm in diameter, and from these against the pipe 8, the Nozzles are each arranged approximately 6 mm above and below the heating elements 9, 10.

Um mit der vom Schmelzen einer neuen Zone ver-To deal with the problem of melting a new zone

ursachten. Ausdehnung Rechnung zu tragen, muß der Anschlag 13 gegenüber dem Rohr verschiebbar sein, aber doch derart fest im Rohr sitzen, daß es den Beschleunigungen und Verzögerungen der Motorwelle ohne Schlupf folgt.caused. To take into account expansion, the stop 13 must be displaceable relative to the pipe, but sit so firmly in the pipe that it slows the accelerations and decelerations of the motor shaft without slip follows.

Die Beschleunigungen und Verzögerungen können aus praktischen Gründen nicht unbegrenzt groß gewählt werden. Im allgemeinen wird die obere Grenze von der mechanischen Stärke des Feststoffes bestimmt werden. Werden die Wirbelbewegungen entlang der Grenzfläche so heftig, daß Teilchen vom Feststoff in der Flüssigkeit dispergiert werden, so nimmt die Wahrscheinlichkeit des Einschließens von Verunreinigungen wieder zu.For practical reasons, the accelerations and decelerations cannot be chosen to be unlimited will. In general, the upper limit is determined by the mechanical strength of the solid will. If the vortex motions along the interface are so violent that particles of the solid in The liquid is dispersed, the likelihood of trapping impurities decreases again to.

Die Zeitdauer von 0,03 Sekunden, in der eine Beschleunigung oder eine Verzögerung von mindestens 200cm/Sek² durchgeführt wird, ist gerade hinreichend zum Herbeiführen eines genügend großen Geschwindigkeitsunterschieds zwischen dem Feststoff und der Flüssigkeit Der Zeitraum von 0,03 Sekunden reicht aber nicht dazu hin, die Wirbelbewegungen entlang der Grenzfläche (die als Folge dieses Geschwindigkeitsunterschieds entstanden ist) zur vollständigen Entwicklung zu bringen.The period of time of 0.03 seconds, in which an acceleration or a deceleration of at least 200 cm / sec ^{2 is} carried out, is just sufficient to bring about a sufficiently large speed difference between the solid and the liquid, but the period of 0.03 seconds is not enough to bring the vortex motions along the boundary surface (which has arisen as a result of this speed difference) to develop completely.

Hierzu bedarf es einer Periode von ungefähr 0,1 Sekunde oder langer. AU dies ist in Fig. 2 dargestellt, in der die Tangentialgeschwindigkeit ν gegen die Zeit t eingetragen ist.This requires a period of about 0.1 second or longer. AU this is shown in Fig. 2, in which the tangential velocity ν is plotted against the time t .

Naturgemäß ist es zur Erzielung eines optimalen Reinigungseffektes durchaus günstig, daß unter Berücksichtigung des oben Gesagten in einer bestimmten Zeitspanne möglichst viele Beschleunigungen und Verzögerungen angewandt werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wird man jedoch die Zahl der Beschleunigungen bzw. Verzögerungen möglichst einschränken wollen. Es wirkt sich nachteilig aus, wenn die Perioden, in denen weder beschleunigt noch verzögert oder um weniger als 200 cm/sek² beschleunigt oder verzögert wird, länger als eine Sekunde genommen werden, da sonst die Zeit, in der keine Wirbelbewegungen an der Grenzfläche auftreten, zu lange wird.Naturally, in order to achieve an optimal cleaning effect, it is quite favorable that, taking into account what has been said above, as many accelerations and decelerations as possible are used in a certain period of time. For economic reasons, however, you will want to limit the number of accelerations or decelerations as much as possible. It has a disadvantageous effect if the periods in which neither accelerated nor decelerated or accelerated or decelerated by less than 200 cm / sec ² are taken for longer than one second, otherwise the time in which no vortex movements occur at the interface , is going to be too long.

Nachfolgendes ist ein Beispiel zum schnellen Auffinden beim Zoneschmelzen der für einen bestimmten Stoff optimalen Bedingungen beschrieben:The following is an example to help you find it quickly when zone melting describes the optimal conditions for a specific substance:

Eine geringe Menge eines Farbstoffes, der in der Flüssigkeitsphase löslich, in der festen Phase jedoch unlöslich ist, wird Naphthalin zugesetzt.A small amount of a dye that is soluble in the liquid phase but soluble in the solid phase is insoluble, naphthalene is added.

Man bringt das so »verunreinigte« Naphthalin in geschmolzenem Zustand in ein Rohr mit z. B. einem Durchmesser von 2 cm ein und läßt den Inhalt von einem der Enden aus erstarren.One brings the so "contaminated" naphthalene in the molten state in a tube with z. B. a Diameter of 2 cm and allows the contents to solidify from one of the ends.

Theoretisch müßte Feststoff abgeschieden werden, der vom zugesetzten Farbstoff frei wäre. Es ergibt sich aber, daß bei einer Geschwindigkeit der Kristallisationsfront von mehr als 2 cm pro Stunde, aller Farbstoff im Feststoff eingeschlossen wird.Theoretically, solid should be deposited which would be free from the added dye. It results but that at a speed of the crystallization front of more than 2 cm per hour, all Dye is included in the solid.

Wenn jedoch das beschriebene Verfahren in Verbindung mit dem Rohr angewendet wird, so ergibt es sich, daß selbst bei Geschwindigkeiten der Kristallisationsfront von 100 cm pro Stunde, nur noch sehr wenig Farbstoff eingeschlossen ist. Die Erzielung von optimalen Bedingungen innerhalb der hier gegebenen Grenzen kann dadurch erreicht werden, daß bei Ziehgeschwindigkeiten von 120 cm pro Stunde oder mehr, die Größe der Verzögerung und der Beschleunigung, die Dauer der Beschleunigungs- und Verzögerungsperiode und der Zeitraum zwischen den beiden Perioden so gewählt wird, daß in visueller Hinsicht ein möglichst gutes Resultat erzielt wird.However, when the method described is used in conjunction with the pipe, it yields that even at speeds of the crystallization front of 100 cm per hour, only very much little dye is included. The achievement of optimal conditions within the given here Limits can be achieved by the fact that at drawing speeds of 120 cm per hour or more, the size of the deceleration and acceleration, the duration of the acceleration and deceleration periods and the time between the two periods is chosen so that the best possible result is achieved from a visual point of view.

Bei Anwendung dieser Methode auf mit 0,05% Farbstoff vermischtes Naphthalin ergab es sich, daß bei einer Ziehgeschwindigkeit von 80 cm/Stunde und nach nur wenigen Durchgängen einer Schmelzzone durch das Rohr, 70% des im Rohr befindlichen Materials völlig vom Farbstoff gereinigt war.Using this method on naphthalene mixed with 0.05% dye, it was found that at a drawing speed of 80 cm / hour and after only a few passes through a melting zone through the tube, 70% of the material in the tube was completely cleaned of the dye.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Γ 557Γ 557

Claim:

Method for zone melting of a meltable material located in a tube with one or more melting zones, wherein the tube is allowed to rotate about its longitudinal axis in alternating directions, characterized in that the speed and duration of rotation are set so that one at each start and end of rotation mean tangential acceleration or deceleration of at least 200 cm / sec ² shows that acceleration and deceleration last at least 0.03 seconds and that the time between the start of acceleration and deceleration is at least 0.1 seconds and the time during which the pipe is without or rotates with less than 200 cm / sec ² acceleration or deceleration, a maximum of 1 second.